热处理课程设计--QAl10-5-5铝青铜，高应力条件下工作的耐磨件.doc

金属热处理工艺与设备课程设计题目： QAl10-5-5铝青铜，高应力条件下工作的耐磨件 院系： 材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2013 年 7 月 10 日目 录目 录2前 言3第一章 金属热处理工艺与设备课程设计简介41.1课程设计的任务与性质41.2课程设计的目的41.3设计内容与基本要求51.3.1设计内容51.3.2基本要求51.4设计步骤51.5设计材料及零件要求6第二章 材料选择及基本参数62.1 热处理零件的选材原则62.1.1使用性原则62.1.2工艺性原则62.1.3经济性原则72.2材料选择72.3材料基本参数7第三章 工艺设计83.1加工工艺设计83.2热处理工艺设计93.2.1材料的相图及分析93.2.2热处理工艺制度的制定123.3热处理设备选择183.3.1预备热处理设备的选择183.3.2最终热处理设备的选择20第四章 心得与体会21参考文献23前 言金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。本课程设计是在材料科学基础金属热处理工艺学失效分析金属力学性能等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。热处理工艺是整个金属材料工程的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。现代工业的飞速发展对机械零部件工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模现场条件热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性方便性质量稳定性和便于管理降低成本等因素，确定出一种最佳方案。第一章 金属热处理工艺与设备课程设计简介1.1课程设计的任务与性质金属材料热处理工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。进一步理解常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。1.2课程设计的目的1、课程设计属于金属热处理原理与工艺课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。4.提高技术总结及编制技术文件的能力。5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。1.3设计内容与基本要求1.3.1设计内容根据使用性能要求完成某机器零件或工模具的选材、加工工艺流程、热处理工艺设计及缺陷检验等项目。包括选材依据、加工工艺流程及方法、热处理工艺路线及参数的确定、热处理设备的选择及操作、材料性能检测及缺陷检验与分析等。1.3.2基本要求1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。3.正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。1.4设计步骤1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。4.热处理工艺实例。5.热处理后材料性能检测。6.缺陷检验与分析。一般根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。1.5设计材料及零件要求QAl10-5-5铝青铜，高应力条件下工作的耐磨件要求：优良的综合力学性能、抗蚀和耐磨性尺寸：直径为32mm，长度为500mm的棒材第二章 材料选择及基本参数2.1 热处理零件的选材原则2.1.1使用性原则使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。2.1.2工艺性原则 零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：综合比较初选材料提出对材料工艺性能的要求制造加工工艺路线 不合格初选材料重选或修改合格确定材料2.1.3经济性原则选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。2.2材料选择选择QAl10-5-5铝青铜零件设计：QAl10-5-5铝青铜， 直径为32mm，长度为500mm的棒材。能在高应力条件下工作，要求具有优良的综合力学性能、抗蚀和耐磨性。2.3材料基本参数QAl10-5-5材料简介QAl10-5-5是新国标GB/T 5231-2001中的铝青铜合金的牌号，对应美国ASTM的牌号是C63280。牌号QAl10-5-5中QAl表示是铝青铜，牌号中的10表示铝含量为10%左右。铁的含量约为5%，镍的含量约为5%。QAl10-5-5属铝青铜，铝青铜是以铝为主加元素的铜合金，它不仅价格低廉，且强度、耐磨性、耐蚀性及耐热性比黄铜和锡青铜都高，还可以进行热处理（淬火、回火）强化。当Al含量小于5%时，强度很低，塑性高；当Al含量达到12%时，塑性已很差，加工困难。故实际应用的铝青铜的Al含量一般在5%10%之间。当Al含量在5%7%时，塑性最好，适于变形加工，当Al量等于10%，常用于铸造。QAl10-5-5材料的性能及用途QAl10-5-5具有高强度，高温力学性能良好，良好的减摩性，不易钎焊，抗蚀性良好，制作高强的耐磨零件和高温条件下工件，如轴衬，轴套，法兰盘，齿轮及其他重要耐蚀零件，耐磨零件。QAl10-5-5铝青铜的化学成分化学成分（质量分数）%SnZnPbPNiAlFeMnSiCu0.20.50.050.014.06.08.011.04.06.00.52.50.25 余量注：杂质含量1.2%QAl10-5-5力学性能QAl10-5-5密度为7.6g/cm3 ，抗拉强度约为743MPa，屈服强度约为438MPa，硬度20.1HRC左右，伸长率约为16%。第三章 工艺设计3.1加工工艺设计材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况： 毛坯正火（退火）机械加工工件成品（一般工件） 毛坯预先热处理（正火、退火或调质）粗加工最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）精加工（要求较高的工件） 毛坯预先热处理粗加工淬火、回火或化学热处理半精加工稳定化处理或化学热处理精加工稳定化处理工件成品（精密工件）由于我们只需将铝青铜铸锭加工成符合要求的棒材，加工工艺简单，精度要求不高，所以综合考虑后选择第（1）条工艺路线。根据所选材料的特点及性能要求，该材料的加工工艺为：序号工艺内容设备1铸锭加热 将铸锭均匀化退火，以消除组织成分的不均匀，改善组织性能 中温箱式电阻炉 2挤压 将铸锭挤压得到直径32mm的棒材 铜材挤压机 3矫直 将挤压后的棒材进行形状矫正 棒材矫直机 4均匀化退火 保证具有良好的综合力学性能 5切割 将热处理后的棒材切割到长度达到要求的500mm 砂轮 6磨削 将切割后的平面进行加工 磨床 7检验 3.2热处理工艺设计3.2.1材料的相图及分析 Cu-Al二元相图铜铝合金中的相 相为铝在铜基中的固溶体，面心立方晶格，硬度低，塑性好，易加工。 相为Cu3Al，具有体心立方结构的无序固溶体，具有较高的强度和较好的塑性，仅在高温下稳定。在565 发生共析分解 + 2。 1和2相是以Cu9Al4电子化合物为基的固溶体，2相硬而脆，能提高合金的耐磨性。当铝含量小于7.4的合金在所有温度下均具有单相固溶体组织。当Al含量在7.49.4%时，合金在1036-565范围内其组织组成物+两相组织，565以下为单相固溶体，但由于冷却速度较快，的转变来不及完成，有一部分相剩余下来，形成的马氏体，并在随后转变为共析体（+2）。含9.415.6Al时，合金相变过程极为复杂，合金缓慢冷却到565时，发生+2转变，形成共析体组织。(+2)共析体组织与退火钢中的珠光体相似，具有明显的片层状特征。当出现粗大的2颗粒时，将导致合金变脆，产生“自行退火”现象，在生产中应当避免。但是相的共析成分比较缓慢，它在快速冷却时来不及分解而产生亚稳定组织。当铝含量为1011.8的亚共析铝青铜在生产过程中快速冷却时，合金中高温下的相会发生无扩散型相变，形成针状的马氏体组织。铝含量大于11.8的铝青铜由固溶体过渡到有序的1固溶体，然后随着合金中铝含量的增加再转变成针状马氏体或 + 2。因此，合金在高温淬火后大部分为针状马氏体组织。马氏体具有较高的强度和硬度，塑性很低；是一种亚稳定过饱和固溶体，在时效过程中会发生转变。Cu-Al-Fe-Ni四元平衡图纵截面当合金从高温冷却时，由于实际冷却过程是非平衡凝固过程，高温相在低温冷却时仍有可能存在并同时发生转变，缓慢冷却时， 合金在565发生+ 2 的共析转变形成+ 2 +三相组织；快速冷却时，+ 2 的共析转变被抑制，相发生无扩散马氏体型相变而生成针状相；因而合金在850、900固溶处理冷却后的组织为+三相组织，温度超过925950固溶处理冷却后的组织为+两相组织，更高温度(1000以上)固溶处理冷却后的组织为单一相。相是一种亚稳定的组织，在室温或较高温度下会发生分解析出第二相。当温度低于950时，其组织中就会出现相，相的析出形态是相当复杂的，它依沉淀方式而变化，可呈细粒状、块状或层状等。相的析出形态对合金的机械性能有很大的影响。不同固溶温度后的组织3.2.2热处理工艺制度的制定l 预备热处理工艺制度的制订由于QAl10-5-5铝青铜在热挤压是具有较高的温度，虽然加热时间较短，但可以起到固溶的效果。对于QAl10-5-5铝青铜的研究表明4个工艺参数对合金影响由大到小的顺序依次为时效温度、固溶温度、时效时间、固溶时间。所以QAl10-5-5铝青铜的热挤压过程相当于预先热处理。l 最终热处理工艺制度的制订 稳定化退火处理650/2h稳定化退火处理概念的区别：时效处理：在金属基体中加入固溶度随温度降低而降低的合金元素，通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高提高合金强度稳定化退火：为使工件中微细的显微组成物沉淀或球化的退火。为使工件在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内的热处理。对于预应力合金，稳定化处理的作用是将合金中的大部分残余应力消除，使结构稳定，切断时不松散，弹性极限提高，在长期保持张力下服役时应力损失（松弛）较低。QA110-5-5铝青铜合金除含铝外，合金中还添加了一定量的铁、镍、锰等其他元素，这些合金元素的加入能够显著的改善合金的力学性能和工艺性能。合金中添加了一定量的镍，含有一定量的铝青铜合金于热加工之后不需另行固溶处理与淬火，即可直接进行时效。釆用特殊的时效工艺即稳定化退火处理工艺对锻态合金的力学性能及显微组织进行研究，选取退火温度为500700，退火时间为0.54h，得出合金最佳的稳定化退火处理工艺。 退火温度的确定为了解退火温度对合金力学性能的影响，实验过程中先固定退火时间为2h，将合金在不同温度下进行退火处理，分别测定合金的硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率的值，结果如表5-1所示，表中25C表示锻态合金，图5-1和图5-2显示的是合金的硬度和拉伸力学性能随退火温度的变化关系。 不同退火温度对力学性能的影响合金在500C700退火时，合金的硬度、抗拉强度、屈服强度随着退火温度的升高呈现先升后降的趋势，而伸长率则是先降后升；合金在500650退火时，合金的硬度、强度均随着退火温度的升高而逐渐升高，650退火时，合金的硬度、强度达到峰值，650700退火时，合金的硬度、强度随着退火温度的升高而逐渐下降；500550退火时，合金的伸长率随着退火温度的升高而逐渐下降，550700退火时，合金的伸长率随着退火温度的升高而逐渐上升，总体来说，合金在650退火时具有较好的综合力学性能。1）退火温度对合金力学性能的影响锻态合金在500 550退火处理时，合金中没有发生共晶转变，热锻后形成的细小的再结晶晶粒长大不明显，合金中的组织组成物分布不均勻，随着退火温度的升高，合金中析出的相逐渐增多，硬相(+2)相相对于软相相的含量比增加，合金的硬度、强度升高，伸长率降低。600 650保温处理时，合金中(+2)共析组织重新转变为相，温度升高，相的含量增加，相继续平衡析出初晶相，使得随后的冷却过程中软相相的数量增多，再结晶晶粒长大较快，使得和(+2)共析组织分布也更为均勾，同时退火温度升高，合金元素不断扩散均匀，相在冷却过程中均匀析出，合金中硬相的含量继续增加，使得合金在硬度、强度升高的同时伸长率有一定的增加，650退火时，合金中弥散析出了较多细粒状的相，有利于合金的机械性能，此时合金的硬度、强度最高，基体和(+2)共析组织分布也较为均匀，合金保持较高的塑性。700保温处理时，合金中相的含量进一步增加，相中析出的相数量增多，软相增加，温度较高时，相晶粒粗大，(+2)共析组织分布细小，伸长率增加，同时合金组织中析出了长条状和少量针状相 Fe3Al 相，该针状相的存在恶化了合金的性能，使得合金的硬度、强度降低。 退火时间的确定为了解退火时间对合金力学性能的影响，实验过程中先固定退火温度为650将合金在不同时间下进行退火处理，分别测定合金的硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率的值，结果如表5-2所示，图5-3和图5-4显示的是合金的硬度和拉伸力学性能随退火时间的变化关系。合金在0.5h4h退火时，合金的硬度、抗拉强度、屈服强度随着退火时间的延长呈现先升后降的趋势，而伸长率则是先降后升；合金在0.5h2h退火时，合金的硬度、强度均随着退火时间的延长而逐渐升高，2h退火时，合金的硬度、强度达到峰值，2h4h退火时，合金的硬度、强度随着退火时间的延长而逐渐下降；合金在0.5h1h退火时，合金的伸长率随着退火时间的升高而逐渐下降，1h4h退火时，合金的伸长率随着退火时间的延长而逐渐上升。总体来说，合金在2h退火时具有较好的综合力学性能。1） 退火时间对合金力学性能的影响锻态合金在650保温处理时，合金发生+ 2转变，2h退火时，合金的硬度、强度最高，伸长率有一定的增加，这是由于高温长时间退火时，合金中的共晶转变进行得较为充分， 相平衡析出的相数量增多，软相相增加，同时再结晶晶粒长大较快，使得合金中的和(+ 2)共析组织分布较为均匀，有利于合金塑性的提高；进一步延长退火时间，合金中相平衡析出的相数量增多，软相相进一步增加，再结晶晶粒的长大粗化使得(+ 2)共析组织分布更为均勻细小，合金的伸长率继续升高，但长时间退火时合金中的析出相相长大粗化，同时合金中析出的针状Fe3Al相逐渐增多，使合金的硬度、强度降低。 稳定化退火小结（1）稳定化退火处理能改善QA110-5-5铝青铜合金的力学性能，经650/2h退火处理，合金的硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长率都提高了。（2）稳定化退火处理后的合金组织为细小的硬脆相(+2)共析体均匀分布于软相相晶粒之间，硬度、强度很高的细粒状的相弥散分布于基体和(+2)共析组织中。（3）QA110-5-5铝青铜合金锻后釆用稳定化退火处理工艺，工艺简单，操作方便，能防止大工件在高温淬火过程中的弯曲变形，降低生产成本，具有较好的实际应用价值。3.3热处理设备选择3.3.1预备热处理设备的选择均匀化退火设备的选择由于铸锭在凝固过程中出现成分偏析，必须进行均匀化退火来消除这种成分不均匀，改善组织，使其获得满意的机械加工工艺性能，为最终热处理做好组织上的准备；该材料的退火工艺中无需通过气体保护进行加热，所以可以采用空气气氛直接装炉加热；此外，本设计是针对单件小批量生产设计，所以退火炉选择普通间隙式箱式电阻炉即可满足设计要求。由均匀化退火温度在820850，我们选择中温箱式电阻炉。根据形状、尺寸以及生产批量选择型号为RX3159的中温箱式电阻炉作为该铸锭的均匀化退火热处理设备。这类炉子由炉体和电气控制柜组成。炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。电热元件多分布于两侧墙和炉底。炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。通常炉膛前端温度较低。工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。3.3.2最终热处理设备的选择3.3.2.1淬火设备的选择选定的是小型淬火槽。淬火槽是装有淬火介质的容器。小型淬火槽：多采用冷却水套结构或在油槽内侧安装螺旋形水管、蛇形管进行冷却。选择和确定的原则：根据产量和淬火工件的尺寸、单件质量以及热处理炉的工作尺寸和操作条件来决定。为小批量生产。材料的直径为32mm，长度为500mm的棒材，属于小型工件。因此选择小型淬火槽即可达到所需要求。3.3.2.2稳定化退火设备的选择我们选定的热处理工艺为稳定化退火处理650，所需材料要求是直径为32mm，长度为500mm的棒材。由热处理手册查得，细长轴类工件，为防止加热时弯曲变形，选用井式炉。由稳定化退火温度650，我们选择低温井式炉。简介：低温井式电阻炉通常又称井式回火炉，由RJ2-6系列，最高工作温度650。结构特点：结构与中温井式炉相似，由炉壳、炉衬、加热元件、导风筒、风扇、炉盖以及起闭机构组成。主要靠对流散热，加装风扇，增加空气对流。特点：炉膛较深，上下散热条件不一样，为使炉膛温度均匀，常分区布置电热元件，各区单独控制温度，使炉内温度均匀；装炉量较高，装出料方便，密封性好，散热面积小，热效率较高。用途：广泛用于钢件的回火处理，也可用作有色金属的热处理。根据我们需要，我们选择RJ2-35-96型号的中温箱式电阻炉 。低温井式炉的产品规格及技术参数第四章 心得与体会通过这次课程设计，我学到了很多知识。热处理工艺与设备课程设计是热处理原理、工艺与设备课的拓展和延伸。加深了对热处理课程的认识和理解，建立了更加系统的知识体系，过程中熟悉了对零件热处理的要求（加热速度、加热温度、保温温度、保温时间、冷却方式以及冷却速度等）。良好的知识体系对于我们的学习有很大的帮助。对于材料的成分、组织、结构和性能之间的关系以及相互的影响有了更加深入的理解。从材料的熔炼到加工成形，这是一个十分有趣的过程。但如何通过改变工艺，以更加合理、经济、环保的方式获得所需性能的产品呢？这是我们应该去仔细思考的问题。通过此次课程设计，我搜集资料的能力有了很大的提高。